小型搖籃式五軸聯動雕刻機的結構設計

陳占富　江董玉　耿鑫鑫　趙陽

摘要：隨著木材、石材、玉器及貴金屬雕刻的市場需求持續增加，科學制造技術的不斷發展與進步，傳統的手工雕刻逐漸被自動化雕刻機器代替，基于數控系統的雕刻機已經成為木工等雕刻行業的首選工具。而傳統的三軸雕刻機在工件加工時需多次裝夾完成.并且精度差、速度慢、效率低，所以本文開展了基于五軸聯動數控技術的雕刻機的研究與設計，該結構也為其他雕刻機的結構設計研究提供了借鑒。

本文設計了一種以龍門結構作為三軸基底，附加A搖擺軸和C旋轉軸組成的混聯搖籃式五軸CNC雕刻機。在同等重量和體積的前提下。本雕刻機床具有加工精度高、加工范圍大、結構簡單、控制便捷、性價比高等優點。該雕刻機可加工軟金屬及各種非金屬材料的復雜曲面，尤其對于非金屬精密零件等其他物品的雕刻加工很有市場前景。其電氣控制方面可以采用mach3控制卡作為控制核心，驅動系統采用高精度步進電機，搖籃軸及回轉軸采用皮帶輪方式傳動。

關鍵詞：搖籃式；龍門結構；五軸聯動雕刻機床；Mach3控制系統；步進電機

市面上出現的雕刻機產品，價格普遍非常昂貴，普通的雕刻機都是萬元以上。美國“雕霸”、法國“嘉寶”和日本“御牧”是此行業的佼佼者，但價格更是昂貴，令一些小單位及個人用戶望而卻步。目前中國市場上雕刻機均以xyz三軸為主，難以加工一些復雜的曲面。但雕刻機主要進行工藝品、玉石等加工，簡單的結構造型已經難以滿足大眾日益個性化的需求，五軸聯動CNC雕刻機正是填補了這個市場。但目前市場上所提供的五軸聯動CNC雕刻機大多成本很高，且以懸臂型為主，這就導致其加工面積相對較小，不易普及。

在這樣的背景下，我們立足現狀，面向經濟發展的需求，開發出有自己特色的五軸聯動CNC雕刻機來滿足復雜雕刻加工的要求。我們對一種五軸聯動CNC雕刻機進行了結構設計，該雕刻機包含龍門三維機架以及A、C雙自由度搖籃式工作臺，龍門架及刀頭部分的移動采用電機帶動滾珠絲杠副控制，實現沿XYZ方向移動；該工作臺可實現繞著C軸的360°旋轉，以及繞著A軸進行-90°～90°的擺動；該雕刻機可以結合刀頭和工作臺實現x軸、Y軸、Z軸、A軸、C軸共五個自由度方向的聯動工作。筆者的設計研究立足于國內數控雕刻機發展的現狀，對于開發新型的五軸聯動CNC雕刻機及其普及有著重要的意義。

第一章雕刻機的研究現狀與需求

（一）雕刻機的研究現狀

國外的數控雕刻機研發公司眾多，其研發產品的加工精度高、效率高、功能多而且人機界面良好便于操作。如日本的FANUC公司、德國西門子公司等。法國NUM公司的POWERl080數控系統能兼容CAD/CAM軟件，可以實現復雜的圖像加工；西班牙FAGOR公司的CNC8070數控系統能夠實現28軸伺服控制；德國的WALTER公司研發的CNC設備HELIRONIC POWER配置上安裝有FANUC31 01數控系統，并采用Windows系統作為操作系統，能夠在線測量，其產品精度高、加工速度快，并且系統便于操作。然而國外的數控雕刻機雖然功能強大，但數控加工中心價格十分昂貴，維修成本也相當高。

國內數控雕刻機這一領域的研究雖然起步晚，但經過無數專家的刻苦鉆研，數控雕刻機技術也是日趨成熟。如山東萊州市精密木工機械有限公司研制的三軸CNC雕刻機，配有方便、簡單、易學的計算機操作系統，用戶可以快速完成雕刻加工，質量可靠、成品率高；上海黑格數控科技有限公司研制的HELIXNC-5A五軸數控磨床，采用了武漢華中數控系統，可實現五軸聯動；又如北京精雕科技有限公司的“精雕”及上海的“啄木烏”等品牌已在國內逐步發展壯大，并且擁有一定的市場，但是在加工精度、可靠性等方面與國外前沿技術仍存在一定的差距。

（二）雕刻機的需求

五軸聯動CNC雕刻機集先進結構設計技術、計算機控制、高性能伺服驅動和精密加工技術于一體，廣泛應用于復雜曲面的高效、精密、自動化加工，在金屬切削加工及木材加工領域，五軸聯動CNC雕刻機精度高、速度快、效率高，逐漸成為主流技術。這種制造行業理想的加工技術是衡量一個國家在制造業領域地位和國際競爭力的重要標志，其技術水平和現代化程度對我們整個國民經濟的水平和現代化程度有著巨大的影響。

伴隨著科學制造技術、計算機技術的不斷發展和進步，手工雕刻逐步被CNC雕刻所代替，CNC雕刻機逐漸成為雕刻等行業的專用工具。CNC雕刻機采用鉆銑組合加工，是典型的一種機電一體化產品，在模具雕刻、工藝品制作、廣告制作等行業有著廣泛的市場應用。目前數字雕刻系統的技術和功能在現有雕刻系統基礎上有了全方位的提升，復雜型面雕刻已不再長期依賴于少數手工藝人的傳統作業方式，產品的藝術雕刻設計與制造更加數字化、精良化、敏捷化和智能化。隨著人們個性化需求的日益增長，小型五軸CNC雕刻機具有良好的市場前景。

第二章雕刻機總體方案和設計參數

（一）雕刻機總體方案

為了讓機器能加工復雜曲面，一次雕刻完成，而無需多次卸裝工件，我們采用在三個直線運動軸的基礎上加一個回轉工作臺和搖擺軸的五軸聯動設計方案。如圖1所示

AC搖籃式回轉工作臺設計方案如圖2所示：

（二）雕刻機設計參數

搖籃式小型五軸聯動雕刻機主要應用于精密零件及工藝品的雕刻、打孔等加工制作。根據工件的特點與加工要求，本雕刻機的設計參數如表1所示：驅動電機采用57步進電機，相關參數如表2所示：

第三章機械結構設計

框架可采用鋁型材通過角鐵組裝而成，既經濟又便于拆裝調整，A軸、C軸回轉工作臺軸線平行X軸。采用同步帶輪可以很好的控制傳動機構的反向間隙，同時可提高輸出扭矩…。同步帶傳動具有準確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，可精密傳動，而且傳動平穩，能吸震，噪音小。它的傳動速比范圍大，一般可達1：10，允許線速度可達50m/s，傳動效率高，一般可達98%-99%，傳遞功率從幾瓦到數百千瓦，結構緊湊還適用多軸傳動，張緊力小，不需潤滑，無污染。平動軸XYZ采用直線導軌導向，滾珠絲桿傳動的方式，能夠較好的保證加工中各方向的精度。旋轉軸A，C采用同步帶傳動方式，增加空間的利用率，避免與機架發生干擾。步進電機與各軸聯接均采用彈性聯軸器聯接。雕刻機的三維建模圖如圖3所示。endprint

（一）X、Y、Z軸的設計

X、Y、z軸均含有底板、光桿滑塊、滾珠絲杠螺母、步進電機、聯軸器，除此之外，x軸安裝在龍門架上，還含有龍門支架、連接板、搖動手柄等結構。Y軸在工作臺的底部，還含有工作臺、Y軸支架、搖動手柄等結構。Z軸安裝在X軸上。

X軸是跟隨Y軸移動的，下部固定在Y軸滑板上，其采用的步進電機和絲杠螺母與Y軸相同，光桿和滑塊直徑較Y軸稍小。

圖4為X、Y、Z軸裝配圖。

（二）A/C軸的設計

A軸安裝于工作臺，主要由步進電機、同步帶輪、C軸連接塊、加高塊等部分組成。

C軸安裝于A軸上，主要由步進電機、同步帶輪、C軸安裝塊等部分組成。

圖5為A，C軸的裝配示意圖：

（三）主軸的設計

主軸安裝在Z軸上，主要由主軸及其安裝座、夾筒、雕刻刀等組成。主軸的功率為200 w，采用風冷的冷卻方式。

第四章雕刻機CAE分析：通過結構的模塊化設計，以有限元分析為核心，進行結構的靜態、模態分析，優化結構，不僅使零部件的靜力學性能得到改善，還能避免結構因共振產生變形，節省材料，獲得最佳的結構尺寸。

下面以雕刻機龍門橫梁CAE分析為例：結合機械結構，龍門橫梁CAE分析的建模對象是龍門橫梁及其所承載的部件，包括：橫梁、滑塊、Z軸箱體。首先采用UG-NX進行龍門橫梁的基礎建模，具體如圖3所示。

（1）靜態性能分析。五軸聯動雕刻機的龍門橫梁及相關承載部件主要是鋁合金結構，龍門橫梁及Z軸箱體均采用壁厚為2mm的空心鋁合金型材。建立有限元力學模型，抽取模型中心面，采用帶中節點的板殼單元SHELLl 81進行結構離散。SHELLl 81單元具有4個節點，每個節點具有6個自由度：沿坐標系X、Y、Z軸的平動以及沿坐標系X、Y、Z軸的轉動。

對龍門橫梁及其承載部件拓撲修復、簡化細節，最終完成網格劃分。因為單元的質量參數對分析結果影響重大，所以完成網格劃分后還應進行單元質量檢查。主要檢查內容包括：是否有重復的節點、重復的或缺失的單元、高度畸變或翹曲的單元；離散單元尺寸應盡量均勻，要避免畸形或者特別小的單元。

龍門橫梁及承載部件CAE網格劃分模型具體如圖6所示。

雕刻機龍門橫梁具體約束邊界條件如圖6所示。龍門橫梁及其承載部件采用鋁合金，壁厚為2mm，其材料的彈性系數為68.9 GPa，泊松比u=0.330，彎曲極限強度228 MPa。

用ANSYS求解器對龍門橫梁的變形云圖具體如圖7所示。通過比較，可以得出結論：在相同厚度的z軸箱體壁厚情況下采用合理的加強筋，發現最大變形量進一步減少，木工雕刻機的龍門橫梁結構實現靜剛度優化，大大提高了木材加工精度。由于木材雕刻精度相對金屬切削精度要求低，通過電主軸、導軌等傳動系統的補償找平，可進一步提高木材雕刻的加工精度。因此通過結構靜剛度優化設計，龍門橫梁及其承載部件完全滿足木工雕刻的加工要求，并且保證了合理的木工雕刻機加工制造成本。（2）模態性能分析。采用UG-NX建立五軸聯動雕刻機的虛擬樣機，在HyperMesh仿真平臺上讀入龍門橫梁及其承載部件的幾何模型，進行合理的簡化處理。經過一系列參數設置，如單元、材料、屬性設置，網格劃分，建立運動控制卡等等，完成龍門橫梁模態分析前處理工作。采用自由模態處理，利用Nastran求解器進行龍門橫梁模態分析，得龍門橫梁的固有頻率和振型。用Hyper Mesh前后處理軟件結合Nastran求解器對雕刻機的龍門橫梁及其承載部件進行模態分析，得到龍門橫梁前六階的固有振動特性以及振型描述，需盡量避開引起龍門橫梁等部件發生共振的振動源

五、結束語

本文深入分析目前國內外數控雕刻機的現狀，研發了一種搖籃式小型五軸聯動雕刻機的機械結構，利用UG NX10.0軟件對雕刻機的整體架構及部分的詳細結構進行了三維設計建模并仿真。所設計的搖籃式回轉工作臺扭矩較大，可實現雙自由度方向的運動。它的機械本體部分結構設計緊湊、部件布局合理，可行性很高，為其他數控雕刻機的結構設計提供了很好的借鑒。

（作者單位：無錫職業技術學院）endprint